Реферат: Измерение осаждения загрязнителей из воздуха. Мониторинг кислотных осадков
Твердые частицы и оксиды серы часто появляются вместе в больших концентрациях. Это связано с тем, что у них общий источник: сжигание угля. Известно при этом, что оксиды серы и твердые частицы в воздухе усиливают действие друг друга. Это означает, что когда и те, и другие присутствуют в достаточно больших количествах, их воздействие на здоровье людей становится более опасным, чем когда они присутствуют порознь.
Оксиды серы и пылевые частицы существенно осложняют болезни дыхательных путей. Долгое время было непонятно, почему оксиды серы особо опасны именно в присутствии частиц. Теперь этот феномен окончательно изучен и объясняется следующим образом. Частицы действуют как ядра, на которых происходит конденсация паров воды. Оксиды серы быстро растворяются в капельках воды, образуя кислый, все разъедающий туман. Именно этот туман из капелек серной кислоты вызывает у людей заболевания и порой приводит к смерти.
Было бы неверно сказать, что частицы сами по себе не оказывают влияния на здоровье человека. Частота респираторных инфекций, таких, как катары верхних дыхательных путей и бронхиты, возрастает при увеличении содержания частиц в воздухе. Кроме того, было доказано, что при высоких концентрациях частиц число смертей по сравнению с усредненным числом для данного времени года возрастает. Существует также мнение, что помимо стимулирования респираторных заболеваний, частицы являются канцерогенами.
Особым видом частиц являются соединения свинца (стоит отметить, что свинец не всегда относят к частицам – иногда его классифицируют как отдельный загрязнитель). Свинец обнаружен в воде и в пище в следовых количествах. Он также содержится в старой краске, покрывающей дома, Наконец, свинец присутствует в воздухе, поскольку в состав автомобильного бензина входят его соединения, добавляемые туда для более равномерного сгорания горючей смеси.
Свинец – кумулятивный яд, иными словами, он постепенно накапливается в организме человека, поскольку скорость его естественного выведения очень низка. Присутствующий в атмосфере свинец непрерывно добавляется к тому количеству, которое уже содержится нашем организме. Свинец уменьшает скорость образования эритроцитов в костном мозге; он также блокирует синтез гемоглобина.
У маленьких детей пороговый уровень составляет половину уровня для взрослых, поэтому они оказываются гораздо более чувствительными к отравлению свинцом. За многие годы уровень свинца в организме детей постепенно подошел слишком близко к порогу токсичного действия.
Воздух в городах заполнен частицами свинца, образующимися при сгорании бензина, в который добавлены соединения этого металла. При вдыхании эти частицы попадают в легкие.
Свинцовое отравление может закончиться смертью, однако в случаях средней тяжести дети оказываются умственно отсталыми. Даже при содержании свинца ниже порогового, по-видимому, происходит ослабление способности к учебе. Как свидетельствуют проведенные исследования, свинец способен вызывать рак у крыс; полагают, что подобный эффект может наблюдаться и у человека. Правда, этот факт плохо обоснован, поскольку быстро развивающиеся симптомы воздействия свинца достаточно сильны и маскируют медленно наступающие изменения.
Последствия радиоактивного загрязнения. Опасность радиоактивного загрязнения зависит от многих факторов, которые существенно различаются при ядерных взрывах и авариях: параметров смеси радионуклидов до и в момент выброса, характера первичных источников радиоактивности – радиоактивных облаков различного типа, длительного функционирующих струй при истечении радиоактивности, образование аэрозолей – носителей радиоактивности, путей распространения радионуклидов в атмосфере и выпадения на местности, свойств подстилающей поверхности.
Следует обратить внимание на различия в последствиях после ядерных взрывов и аварий на АЭС. Средства массовой информации часто путают эти события, сообщая о взрыве на АЭС. Ядерный взрыв несет в себе пять составляющих: световое излучение, аэродинамический удар, проникающую радиацию, радиационное загрязнение и электромагнитное возмущение. При аварии на АЭС происходит только радиационное загрязнение, хотя оно значительно больше, чем при ядерном взрыве, вследствие того, что если реактор мощностью 1 мегаватт проработал всего год, в нем содержится почти 1 т продуктов деления, а также все радиоактивные изотопы урана, плутония, нептуния, америция и др.
Наиболее распространенные единицы измерения радиоактивности – рентген, бэр и рад. Рентгенами измерят гамма-излучение, бэрами – любое излучение. Количество потребленной энергии излучения, отнесенной к единице массы тела, выражают в радах. Для измерения мощности излучения эти единицы относят к единице времени (секунда, час, сутки, неделя, месяцы, годы).
За жизнь (70 лет) человек может без большого риска, набрать радиацию в 35 бэр (7 бэр от естественных источников, 3 бэра от космических источников и рентгеновских аппаратов). В зоне Чернобыльской АЭС в наиболее загрязненных участках можно получить до 1 бэра за час. Мощность излучения на кровле в период тушения пожара на АЭС достигала 30 тысяч рентген в час и потому без радиационной защиты (свинцового скафандра) смертельную дозу облучения можно было получить за 1 минуту.
Часовая доза радиации, смертельная для 50% организмов, составляет 400 бэр для человека, 1000-2000 – для рыб и птиц, от 1000 до 150 тыс. – для растений и 100 тыс. бэр для насекомых. Таким образом, самое сильное радиационное загрязнение – не помеха для массового размножения насекомых. Из растений наименее устойчивы к радиации деревья и наиболее устойчивы травы.
Помимо непосредственной угрозы жизни человека радиации приписывают и другие эффекты (такие как генные мутации, увеличение заболеваемости раком, злокачественные новообразование и пр.). Однако все данные о влиянии радиации на живой организм довольно противоречивы. Так, например, у жителей Японии, перенесших атомную бомбардировку, не было обнаружено генетических эффектов радиации. Статистически значимого превышения уровня заболеваемости раком, в частности лейкемией, после Чернобыльской аварии не выявлено, но четко выявляются случаи злокачественных новообразований щитовидной железы вследствие мощного воздействия радиоактивного йода.
Далее рассматриваются вторичные последствия загрязнения атмосферы.
Кислотные дожди. Сначала в Скандинавских странах, затем на северо-востоке США и юго-востоке Канады, потом в Северной Европе, на Тайване и в Японии ученые обнаружили, что дождевая вода – казалось бы, самая чистая вода в природе – содержит все большее количество кислот. Кислотный дождь – это результат присутствия в атмосфере оксидов серы и оксидов азота. Как уже отмечалось выше, оксиды серы поступают в воздух при сжигании ископаемых видов топлива, содержащих серу. Оксиды азота также образуются при сжигании ископаемых видов топлива, но их основным источником, видимо, оказывается сам воздух, поскольку ископаемое топливо, как правило, азота в больших количествах не содержит.
Двуокись серы и окись азота в атмосфере быстро вступают в химические реакции. Двуокись серы окисляется до трехокиси, которая затем растворяется в капельках воды с образованием серной кислоты. Окись азота окисляется до двуокиси, которая тоже растворяется в капельках воды с образованием азотной кислоты. Эти две кислоты, а также соли этих кислот и обусловливают выпадение кислотных дождей. Чем выше содержание этих кислот в воздухе, тем чаще выпадают кислотные дожди.
Наиболее очевидное влияние кислотные дожди оказывают на популяции рыб в озерах, вода в которых стала кислой. В зависимости от закисленности воды количество рыбы в озере может либо уменьшиться, либо она может полностью исчезнуть. Но нельзя считать, что взрослая рыба просто погибает из-за повышенной кислотности воды. Сильно закисленные воды не позволяют рыбе нормально размножаться. Самки могут оказаться не способными выметывать икру в кислой воде; если же икра все-таки попадет в воду, то она либо погибает, либо, если мальки все же вылупятся, они гибнут. В результате в озерах с закисленной водой мы не встречаем молоди, а только взрослых особей.
Ученые предсказывают, что из-за воздействия кислотных дождей будет сокращаться численность не только рыбы, но и земноводных. Многие из них размножаются во временных водоемах, возникающих в период весенних дождей; вода в них может быть даже более кислой, чем в озерах, поскольку эти временные водоемы образованы только дождевой водой с повышенной кислотностью.
Кислотные дожди отрицательно воздействуют не только на животных, но и на растения. Самый яркий пример этого воздействия – деградация лесов. Термин деградация лесов имеет два значения. Он может просто означать замедление роста деревьев, что выражается в уменьшении толщины годичных колец на срезе ствола. Формально это звучит так: «снижение продуктивности леса». Другое значение термина деградация лесов – это реальное повреждение деревьев или даже их гибель. Сейчас площадь лесов, поврежденных кислотными дождями, исчисляется миллионами гектаров. Деградация лесов отмечена в Германии, Чехословакии, Австрии, Швейцарии, Швеции, Голландии, Румынии, Великобритании, США и многих других странах. Причем масштабы этой деградации огромны. В Германии, например, повреждения уже получили от 50 до 75% лесов.
Большой вред кислотные дожди наносят и сельскому хозяйству. В результате выпадения кислотных осадков снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ. Но кислота способна воздействовать на сельскохозяйственные культуры не только через почву, но и напрямую. Эксперименты, проведенные американскими специалистами, установили прямую зависимость между кислотностью воды и состоянием сельскохозяйственных культур, особенно в период их максимальной восприимчивости (в период опыления). При этом выяснилось, что не все растения обладают одинаковой восприимчивостью к воздействию кислотных дождей.
Ученые пока не обнаружили прямого воздействия кислотных дождей на здоровье людей, но возможность этого, несомненно, существует. Эта возможность связана с повышенной способностью подкисленной воды растворять или каким-то иным путем действовать на различные минералы. Ртуть, содержащаяся в природных водоемах, может под влиянием кислой среды превратиться в ядовитую монометиловую ртуть. Рыбы будут накапливать это соединение ртути в своих тканях. Как известно, ртуть – сильный яд для человека, и отравления рыбой, зараженной ртутью уже происходили.
Если водохранилища, откуда забирается питьевая вода, становятся более кислыми, то токсичные металлы из труб, пробок и т.п. могут растворяться в ней и попадать в воду, потребляемую человеком. Кроме того, подкисленная питьевая вода способна растворять свинец, содержащийся в водопроводных системах.
Кислотные дожди также повреждают строительные растворы и камень, реагируя с кальцием и магнием, входящими в состав этих материалов. Особому риску подвергаются незаменимые скульптуры. Строительные конструкции из железа и других металлов также очень восприимчивы к коррозии, вызываемой кислотными дождями.
Озоновые дыры. Озон жизненно необходим для человека и других живых существ, населяющих освещенную солнцем Землю, поскольку он определяет температурную стратификацию атмосферы и одновременно защищает от интенсивной ультрафиолетовой радиации. Однако это утверждение верно лишь для стратосферного озона. Озон, находящийся в тропосфере считается загрязнителем. Поэтому далее речь пойдет о стратосферном озоне.
Анализ причин убыли озона из атмосферы имеет свою историю. Вопрос возник после сообщения о том, что в южнополярной зоне над Антарктидой обнаружена озоновая дыра – область, где в весенние месяцы катастрофически убывает озон. Размеры дыры были сопоставимы с территорией США.
Исследования со спутников и самолетов показали, что над Антарктидой весной озон почти весь разрушается на уровнях 12-13 и 25 км. Механизм разрушения озона и образования озоновых дыр представляется следующим образом. Преобладание низких температур приводит к конденсации воды и азотной кислоты и образованию «полярных стратосферных облаков». Радикалы фреонов «примерзают» к ледяным облакам; весной, когда появляется солнце и ледяные облака нагреваются, фреоны отрываются и разрушают озон. Вследствие слабой циркуляции воздуха над Антарктидой (континент приподнят на 3-4 км по сравнению со средними широтами) образуются огромные озоновые дыры. Летом приток воздуха из средних и тропических широт восстанавливает содержание озона в атмосфере. Обоснованность всей цепочки событий, приводящей к активизации хлора фреонов, подтверждена измерениями, которые показали значительное увеличение концентрации «хлорина» в нижней стратосфере в холодных регионах, совпадающее с быстрым уменьшением концентрации озона.
Аномалии озона – как по уровню его дефицита, так и по размерам затронутой территории, наблюдались в России в 1995 и 1998 гг. По данным Росгидромета, в феврале 1995 г. над всем Северным полушарием, а особенно над рядом районов Восточной Сибири, вплоть до Урала, зарегистрировано рекордное уменьшение концентрации озона – до 40%, сохранявшееся в течение 25 суток. К середине марта в отдельных районах оно достигало 50%. По сравнению с началом десятилетия произошло смещение районов наибольшего дефицита озона из западных областей СНГ в Сибирь и Якутию.
Размер озоновой дыры над Южным полушарием в 1995 г. составил 10 млн. км2, что по площади равно Европе и в два раза больше дыры в 1993 – 1994 гг.
В 1998 г. уменьшение концентрации озона над Антарктидой оказалось рекордным; весной площадь озоновой дыры превышала 10 млн. км2, а осенью – 25 млн. км2.
Наиболее опасные для человека последствия истощения озонового слоя – увеличение числа заболеваний раком кожи и катарактой глаз.
Согласно официальным данным ООН, сокращение озонового слоя всего на 1% означает появление в мире 100 тыс. новых случаев катаракты и 10 тыс. случаев рака кожи. По оценкам специалистов АОС США, каждый процент снижения содержания озона в атмосфере может привести увеличению заболеваемости, прежде всего в экваториальной зоне, на 4 – 5%, снижению иммунитета как у человека, так и у животных.
Помимо негативного влияния на здоровье, истощение озонового слоя приводит к усилению парникового эффекта, снижению урожайности, деградации почв, общему загрязнению окружающей среды.
Фотохимический туман. Для фотохимических реакций требуется световая энергия. Некоторые загрязнители атмосферы – оксиды азота и углеводороды – вступают в фотохимические реакции. В результате образуются новые загрязнители воздуха, в том числе озон, альдегиды, а также необычные органические соединения. Эти новые загрязнители в сумме определяют фотохимическое загрязнение воздуха, поскольку они появляются в результате фотохимических реакций.
Уровни фотохимического загрязнения воздуха тесно связаны с режимом движения автотранспорта. В периоды высокой интенсивности движения утром и вечером отмечается пик выброса в атмосферу оксидов азота и углеводородов. Именно эти соединения, вступая в реакции друг с другом, обусловливают фотохимическое загрязнение воздуха.
Азот и кислород соединяются в условиях высокой температуры, развивающейся при сгорании горючего в автомобильных двигателях, образуя газообразную окись азота, которая попадает в атмосферу с выхлопными газами. Постепенно практически вся окись азота окисляется до двуокиси. Позднее по мере уменьшения содержания двуокиси азота растет концентрация третьего газа – озона. Через некоторое время содержание озона в воздухе также начинает убывать.
Реакции, в ходе которых возникают высокие концентрации двуокиси азота и озона, пока не совсем понятны. Тем не менее кое-какие ключевые связи уже надежно выяснены. Возможность для протекания сложных фотохимических реакций создают присутствие углеводородов и фотохимические свойства двуокиси азота. В течение некоторого периода времени этот набор реакций создает типичную картину уровней различных загрязнителей. Содержание окиси азота повышается в период высокого уровня выбросов выхлопных газов в атмосферу. В ходе реакций углеводородов с окисью азота ее концентрация падает, а содержание двуокиси азота возрастает. После того как концентрация окиси азота уменьшится, начинает возрастать концентрация озона, образующегося в результате фотодиссоциации двуокиси азота.
В цепи этих реакций происходит образование и других загрязнителей. Углеводороды, реагируя с двуокисью азота, образуют пероксиацилнитраты (ПАН). Озон вступает в реакции с углеводородами с образование альдегидов. Постепенно ветры разносят все эти соединения. Озон, двуокись азота, ПАН и альдегиды называются фотохимическими загрязнителями воздуха, поскольку все они образуются в ходе реакций, возбужденных солнечным светом.
